JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
工程学

Visualización mecanoluminiscente de la propagación de grietas para la evaluación conjunta

Published: January 06, 2023
doi:
10.3791/64118
,
1Sensing System Research Center (SSRC),National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Summary

En este estudio, se presenta un protocolo que describe el uso de la visualización mecanoluminiscente (ML) para monitorear la propagación de grietas y el comportamiento mecánico durante las pruebas de evaluación de juntas adhesivas.

Abstract

En este estudio, se demuestran y explican métodos para la visualización mecanoluminiscente (ML) de la propagación de grietas y el comportamiento mecánico para evaluar las juntas adhesivas. El primer paso consistió en la preparación de muestras; se utilizó un aerosol de aire para aplicar pintura ML a la superficie de las muestras de juntas adhesivas. Se describió el rendimiento del sensor ML para examinar las condiciones de medición. Se demuestran los resultados de la detección de ML durante una prueba de doble haz en voladizo (DCB) y una prueba de cizallamiento por vuelta (LS), ya que estos son los métodos más frecuentes y ampliamente utilizados para evaluar los adhesivos. Originalmente, era difícil cuantificar directamente la punta de la grieta y la distribución y concentración de la tensión / estrés porque la punta de la grieta era demasiado pequeña y no se podían observar los efectos de la tensión. La mecanoluminiscencia, la propagación de grietas y el comportamiento mecánico durante las pruebas mecánicas se pueden visualizar a través del patrón ML durante la evaluación del adhesivo. Esto permite el reconocimiento de la posición precisa de las puntas de grietas y otros comportamientos mecánicos relacionados con fallas estructurales.

Introduction

Los materiales de detección mecanoluminiscentes (ML) son polvos cerámicos funcionales que emiten luz intensa repetidamente bajo estímulos mecánicos. Este fenómeno se observa incluso dentro de regiones de deformación elástica 1,2,3,4. Cuando se dispersan en la superficie de una estructura, las partículas individuales de ML funcionan como sensores mecánicos sensibles, y el patrón de ML bidimensional (2D) refleja la distribución dinámica de la tensión. El patrón de emisión ML presenta una simulación mecánica de la distribución de deformación 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 (Figura 1A).

Como se muestra en la Figura 1B, los sensores ML se han aplicado para visualizar comportamientos mecánicos dinámicos bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D) en procesos elásticos, plásticos y de destrucción utilizando muestras de prueba de cupones que comprenden materiales estructurales ligeros avanzados recientes (por ejemplo, acero de alta resistencia a la tracción 5,6, aluminio, plástico reforzado con fibra de carbono [CFRP]7), la junta adhesiva para el diseño de tolerancia al daño8, 9,10,11, y componentes del producto (por ejemplo, engranajes y archivos electrónicos flexibles para teléfonos plegables 12, y uniones adhesivas y/o de soldadura complicadas utilizadas para validar la ingeniería asistida por computadora [CAE] Resultados en pruebas a nivel de laboratorio 2,8,9,10,11 ). Además, los sensores ML se han utilizado con éxito en aplicaciones prácticas, como el monitoreo de la salud estructural (SHM) de edificios y puentes para detectar la propagación de grietas o la probabilidad de una concentración de deformación que conduzca a la degradación estructural 2,6,13, el monitoreo de la propagación de grietas internas en capas interlaminares7,9, la predicción de la vida útil de los recipientes de hidrógeno de alta presión. 9, pruebas de impacto de movilidad para visualizar la propagación o excitación de ondas de impacto en modovibración 14, y detección visual de herramientas deportivas para determinar los ajustes físicos adecuados para aumentar las posibilidades de ganar. En el protocolo, se seleccionó la visualización de ML para monitorear la propagación de grietas y los cambios posteriores en el comportamiento mecánico durante las pruebas de evaluación de juntas adhesivas.

Hay varias razones para seleccionar este tema. La primera razón es el aumento significativo en la importancia de las juntas adhesivas en los últimos años. Recientemente, debido a la necesidad de una reducción significativa deCO2 y ahorro de energía, se han desarrollado y aplicado varios tipos de materiales ligeros en las industrias de movilidad y transporte, como automóviles, aviones y trenes. Como parte de esta tendencia, la tecnología adhesiva ha ganado importancia como tecnología clave para unir libremente diferentes materiales ligeros (uniones de materiales diferentes) en una estrategia multimaterial15. Además, el método de visualización ML para determinar la resistencia adhesiva, especialmente en materiales diferentes, ha sido sugerido por varias normas internacionales 16,17,18,19,20. La evaluación de la resistencia adhesiva es esencialmente una prueba destructiva, y la resistencia adhesiva obtenida se puede clasificar principalmente en dos tipos: (1) energía de tenacidad a la fractura (Gc), que se determina utilizando la posición de propagación de grietas durante la aplicación de la carga, y (2) resistencia adhesiva, que se determina utilizando la carga en la ruptura de la junta adhesiva. Aunque la prueba de doble viga en voladizo (DCB) y la prueba de cizallamiento de vuelta simple (LS) son métodos de evaluación representativos de la tenacidad a la fractura y la resistencia al adhesivo, respectivamente, y representan los métodos de prueba de adhesivos más utilizados en todo el mundo 15,16,17,18,19,20 , la punta de la grieta es demasiado pequeña para distinguir la distribución de tensión/deformación. Por lo tanto, el valor de la energía de tenacidad a la fractura (Gc) está altamente disperso. Como resultado de las recomendaciones de los investigadores que examinan los adhesivos y otras personas en la industria, la visualización mecanoluminiscente (ML) se ha investigado para monitorear la propagación de grietas y los cambios posteriores en el comportamiento mecánico durante las pruebas de evaluación de juntas adhesivas 8,9,10,11,21 . La segunda razón para seleccionar este tema en este protocolo es que la tensión / deformación está altamente concentrada en la punta de la grieta, lo que genera una intensa mecanoluminiscencia en el punto ML durante la propagación de grietas, y esta es potencialmente la metodología más fácil de usar entre varias aplicaciones de prueba de ML. Además, este método se puede utilizar sin experiencia avanzada en la preparación de muestras y materiales de ML altamente eficientes.

Por lo tanto, en este estudio, se explica el protocolo de visualización de ML para monitorear la propagación de grietas y los cambios posteriores en el comportamiento mecánico durante las pruebas de evaluación de juntas adhesivas, como se muestra en la Figura 2.

Protocol

El presente estudio se realizó utilizando muestras de DCB. DCB es una muestra de prueba estándar que se utiliza a menudo para estudiar el crecimiento de grietas y la mecánica de fracturas16,17,18. 1. Preparación de la muestra de ensayo Realice el pretratamiento de la superficie antes de la aplicación de la pintura ML (consulte la Tabla de materiales). Limpie la superficie de la muestra de prueba (sobre la que el usuario desea rociar la pintura ML) con un disolvente como alcohol isopropílico (IPA) o etanol para el desengrase de la superficie. Prepare y aplique la pintura ML siguiendo los pasos a continuación.Pesar 20 g del reactivo epoxi principal para la pintura ML (ver la Tabla de materiales), incluido el material SrAl2O4:Eu2+ ML, y 3,1 g del reactivo de curado, y mezclarlos con un disolvente orgánico como tolueno y acetato de etilo en una taza medidora para obtener una viscosidad de 100 mPa·s. Aplique la pintura ML en la superficie de la muestra DCB rociando con un aerosol de aire o una lata de aerosol (Figura 3). Seque la muestra gradualmente durante la noche a temperatura ambiente.NOTA: La pintura ML se preparó mezclando ML y resinas poliméricas. Los materiales ML 1,2,3,4 y los materiales poliméricos se pueden utilizar en lugar de pinturas ML comerciales. Sin embargo, el protocolo en este estudio se describe utilizando latas comerciales de pintura ML o aerosol (como se muestra en la Figura 3) para garantizar un buen rendimiento. Aunque la tasa de contenido del material ML depende de la eficiencia, se seleccionó el 25% en peso o más del 50% en peso del material ML como la tasa de contenido en la pintura ML22. La viscosidad descrita en el paso 1.2.1 se evaluó utilizando un viscosímetro 8,9 (véase la tabla de materiales). Después del tratamiento, curar la muestra calentando la pintura ML pulverizada sobre la muestra a 80 °C durante 1 h.NOTA: Las condiciones del tratamiento posterior deben estar dentro del rango de condiciones que son apropiadas para curar la resina de la pintura ML y que no afectan la pieza de prueba y el rendimiento de unión. Realizar confirmación de calidad.Confirme que la pintura ML pulverizada es aproximadamente uniforme en la superficie. Asegurar un espesor de aproximadamente 50-100 μm utilizando un microscopio o un calibre de espesor de recubrimiento8 (Figura 4).NOTA: El bajo espesor es apropiado para evitar la distribución de carga en el reactivo epoxi ML. La uniformidad de la pintura ML pulverizada es necesaria para utilizar la visualización ML para pruebas adhesivas porque se puede observar una intensa mecanoluminiscencia en la punta de la grieta debido a la alta concentración de tensión. Por lo tanto, la pintura ML pulverizada se expresa como “aproximadamente uniforme” en el paso 1.4.1. 2. Medición de ML para la prueba DCB Para la configuración experimental de la medición de ML, realice los pasos siguientes.Monte la muestra pulverizada con pintura ML en la máquina de prueba mecánica usando un zig especial (consulte la Tabla de materiales) para la prueba DCB16,17,18, como se muestra en la Figura 5A.NOTA: Las muestras de prueba DCB deben cumplir con las normas internacionales para las pruebas DCB16,17,18. Coloque las cámaras (un CCD, dispositivo de carga acoplada, o un CMOS, semiconductor complementario de óxido metálico; consulte la Tabla de materiales) delante de cada superficie de la muestra de ensayo de manera que miren hacia la posición de la punta de grieta que se va a monitorizar8,9,10,11,12 (Figura 5B ). Compruebe las condiciones de la cámara para asegurarse de que puede grabar el resplandor posterior (AG) durante el tiempo de medición estimado de la prueba mecánica.NOTA: Aunque un sistema de cámara de cuatro vías no es obligatorio para todas las direcciones de la muestra, el número de cámaras depende de la cara de la muestra que el usuario desea enfocar y grabar. Realizar la observación de ML en la prueba DCB.Establezca el entorno para garantizar condiciones de oscuridad. Ajuste las condiciones de grabación de la cámara: velocidad de grabación = 1 o 2 fotogramas por segundo (fps); tiempo de exposición = 0,5 s o 1 s; y ganancia = máximo. Irradiar la muestra DCB pulverizada con pintura ML con luz azul de 470 nm para la excitación utilizando un LED azul (consulte la Tabla de materiales) desde cada dirección de la cámara durante 1 minuto. Inicie la cámara grabando 5 s antes de finalizar la irradiación de luz azul. Espere en condiciones oscuras durante 1 minuto para asegurarse de que el resplandor se asiente.NOTA: El tiempo de asentamiento se puede cambiar según el tipo de material de detección ML y la cámara, especialmente en relación con el equilibrio de la mecanoluminiscencia y las intensidades de resplandor en las películas grabadas. Aplique una carga mecánica16,17,18 utilizando una máquina de ensayo mecánico con una velocidad de carga de 1 mm/min para obtener la imagen ML (Figura 5C y Película 1). Calcule la longitud de la grieta (a) utilizando la información sobre la posición de la punta de la grieta, que se determina a partir del punto ML durante la propagación de grietas en la muestra pulverizada con pintura ML (Película 1), para obtener el valor de tenacidad a la fractura, G1c (kJ/m2), utilizando la Ecuación 1 8,9,16,17,18.NOTA: (Ecuación 1)donde 2 H denota el espesor (mm) de la muestra DCB, B denota la anchura de la muestra, λ denota el desplazamiento de apertura de grieta (DQO) cumplimiento (mm/N), Pc denota la carga (N) y α 1 denota la pendiente de (a/2H) y (B/λ)1/3. 3. Medición de ML para la prueba de cizallamiento de vuelta (LS) Para la configuración experimental para las mediciones de ML, monte la muestra LS pulverizada con pintura ML en una máquina de prueba mecánica19,20, como se muestra en la Figura 6A. Coloque cámaras (una cámara CCD o CMOS) delante de cada superficie de la muestra de ensayo de manera que miren hacia la posición de la punta de la grieta que se va a vigilar (figura 6A).NOTA: Las muestras de prueba LS deben cumplir con las normas internacionales para la prueba LS19,20. En el caso de juntas de material diferentes, aparecerán diferentes distribuciones de deformación en cada una de las cuatro superficies de las muestras LS. Por lo tanto, se recomienda un sistema de cámara de cuatro vías o al menos un sistema de cámara de dos vías para su uso en cada una de las cuatro superficies, como se muestra en la Figura 6A, para capturar dos superficies con cada cámara en un ángulo de 45° con respecto a cada superficie. Realice la observación de ML en la prueba de corte de vuelta (LS).Mantener condiciones de oscuridad. Ajuste las condiciones de grabación de la cámara: velocidad de grabación = 10-50 fps; tiempo de exposición = 0,02 s o 0,1 s; ganancia = máximo. Irradiar la muestra DCB rociada con pintura ML con luz azul de 470 nm para la excitación utilizando un LED azul desde cada dirección de la cámara durante 1 minuto. Inicie la cámara grabando 5 s antes de finalizar la irradiación de luz azul. Espere en la oscuridad durante 30 s para que el resplandor se asiente.NOTA: El tiempo de asentamiento se puede cambiar de acuerdo con el material de detección ML y la cámara utilizada, especialmente en relación con el equilibrio de la mecanoluminiscencia y las intensidades de resplandor en las películas grabadas. Aplicar una carga mecánica19,20 utilizando una máquina de ensayo mecánico con una velocidad de carga de 1-5 mm/min para obtener las imágenes ML (Figura 6B y Película 2). 4. Información para la medición de ML y el análisis de datos Realice la excitación antes de la prueba de ML.Aunque la intensidad de ML es proporcional a la energía de deformación, la intensidad de ML disminuye gradualmente de acuerdo con los ciclos de carga 2,3,6,12, como se muestra en la Figura 7A. Por lo tanto, realice la excitación antes de la prueba de ML para generar resultados de ML reproducibles, como se mencionó en los pasos 2.2.3 y 3.2.3. Elija el tiempo de espera para una alta relación ML / AG.NOTA: El sensor ML muestra el resplandor posterior (AG) después de la excitación como un fósforo persistente largo y muestra la mecanoluminiscencia en el momento de la aplicación de carga, como se muestra en la Figura 7B.Seleccione el tiempo de espera después de la excitación y las condiciones de la cámara para asegurarse de que la relación ML/AG (el llamado índice ML) es suficientemente alta (como se mencionó en los pasos 2.2.4 y 3.2.4) porque el resplandor funciona como ruido base contra el patrón ML (es decir, la señal de medición)2,3,4. Determine el punto de ML más alto.Determine la posición de la punta de grieta reconociendo la posición con el punto ML más alto como la punta de grieta 8,9.NOTA: El punto ML más alto se puede determinar mediante inspección visual, software de procesamiento de imágenes, un sistema de monitoreo automático y una película ML, como se muestra en la Figura complementaria 1. Cree una imagen de contorno de ML.Si los puntos y patrones de ML son difíciles de distinguir, cree una imagen de contorno de ML y use patrones de ML convirtiendo las imágenes sin procesar de ML mediante un software de procesamiento de imágenes, como ImageJ (consulte la Tabla de materiales), como se muestra en la figura 8.

Representative Results

Las imágenes y películas de ML durante la prueba DCB y LS se recopilaron utilizando cámaras de dos y cuatro vías, respectivamente. La figura 5C muestra las imágenes y películas de ML en la vista lateral, que se pueden usar para reconocer la punta de la grieta. Además, se muestra que la vista superior refleja el frente de falla en el momento de propagación de grietas durante la prueba DCB. En este caso, los adherentes eran aluminio arenado (A5052, ver la Tabla de materiales), el adhesivo estaba compuesto por dos componentes de adhesivo epoxi y la geometría cumplía con las normas internacionales. En cuanto a los comportamientos de ML en la vista lateral, se observó una intensa mecanoluminiscencia en la posición de la grieta inicial debido a la concentración de deformación en este punto. Posteriormente, se observó el movimiento del punto ML, que refleja la punta de la grieta, en la capa adhesiva en el momento de propagación de la grieta. Utilizando imágenes ML en la prueba DCB, se definió la posición de la punta de grieta durante la propagación de grietas y se utilizó para calcular la longitud de propagación de grietas (a) y el valor de tenacidad de fractura asociado, G1c, como se explica en el paso 2.2.7. La figura 6B muestra las imágenes y películas del contorno ML durante la prueba LS. Las imágenes y películas se grabaron utilizando un sistema de cámara de cuatro vías. En este caso, los adherentes eran de aluminio arenado (A5052), y el adhesivo era un adhesivo epoxi de dos componentes. La figura 6B proporciona claramente información sobre el comportamiento mecánico durante el proceso de destrucción de la junta adhesiva de una sola vuelta. En resumen, se observó por primera vez una intensa mecanoluminiscencia en los bordes de las áreas adhesivamente unidas y lapeadas. En segundo lugar, los puntos ML se movieron desde los bordes adhesivos hacia el centro a lo largo de la capa adhesiva para aparecer juntos en las vistas izquierda y derecha de la imagen ML. Finalmente, después de combinar los dos puntos ML en el centro, se observó una intensa mecanoluminiscencia en el punto central de la capa adhesiva. Las imágenes de ML en la prueba LS se pueden usar para comprender el comportamiento mecánico de las juntas adhesivas durante el proceso de destrucción, que es difícil de simular. Figura 1: Propiedades del sensor ML . (A) Mecanoluminiscencia bajo carga de tracción para una placa de acero inoxidable con un orificio y análisis numérico (simulación) de la distribución de deformación de Mises. (B) Ejemplos de detección visual ML para visualizar el comportamiento mecánico dinámico 2D / 3D de productos, materiales estructurales y materiales de impresión 3D bajo la aplicación de carga mecánica, vibración e impacto. Las flechas con una “F” indican la dirección de la fuerza bajo carga mecánica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: Detección visual de ML para varias pruebas de evaluación de adhesivos estandarizadas internacionalmente. Estos estándares describen los métodos para obtener varios índices de resistencia adhesiva, como la energía de tenacidad a la fractura (Gc), la resistencia al cizallamiento (TSS), la resistencia al pelado y la resistencia a la tensión cruzada (CTS). Las flechas indican la dirección de la fuerza bajo carga mecánica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: Aplicación de pintura del sensor ML. (A) Ejemplos de latas de pintura y aerosol ML y (B) una fotografía de pulverización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4: Ilustración de muestras de pintura ML . (A) Una muestra DCB y (B) una muestra LS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5: Medición de ML durante la prueba DCB . (A) Fotografía de la configuración experimental y (B) ilustración de las posiciones de la cámara. (C) Medición de ML durante la prueba DCB. CAM 1 y CAM 2 indican la cámara CCD descrita en el paso 2.1.2. Las flechas indican la dirección de la fuerza bajo carga mecánica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6: Medición de ML durante la prueba LS. (A) La configuración experimental y (B) la medición de ML durante la prueba LS utilizando un sistema de cámara de cuatro vías. Las flechas indican la dirección de la fuerza bajo carga mecánica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7: Propiedades básicas del sensor ML empleado . (A) La intensidad de ML a través de ciclos de carga y (B) la relación entre las intensidades de ML y AG y el tiempo de espera después de la excitación usando un LED azul. El recuadro ilustra la definición de las intensidades ML y AG en la curva tiempo-luminancia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8: Comparación de la expresión de ML en las imágenes de ML. (A) La imagen sin procesar en escala de grises de 12 bits y (B) la imagen de contorno. Las flechas con “F” indican la dirección de la fuerza bajo carga mecánica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Película 1: Película ML durante la prueba DCB. Velocidad de grabación: 1 fps. Haga clic aquí para descargar esta película. Película 2: Película ML durante la prueba LS. Velocidad de grabación: 25 fps. Haga clic aquí para descargar esta película. Figura complementaria 1: Métodos para distinguir la posición del punto de mayor intensidad de ML. (A) Inspección visual, (B) software de procesamiento de imágenes y (C) sistema de monitoreo automático. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discussion

En términos del comportamiento de ML observado desde la vista lateral, se registró una intensa mecanoluminiscencia originada por la concentración de deformación en la punta de la grieta inicial (Figura 5C). Posteriormente, se observó el movimiento del punto ML a lo largo de la capa adhesiva en el momento de propagación de la grieta, reflejando la punta de la grieta. En estudios anteriores, las observaciones microscópicas mostraron que el punto ML más alto estaba solo 0-20 μm por delante de la punta de la grieta y podría adoptarse como referencia para la posición8 de la punta de grieta. En el método convencional, la punta de la grieta se identifica a través de la inspección visual, pero esto conduce a una cantidad significativa de error humano debido al pequeño tamaño de la punta de la grieta, incluso cuando se usa una lupa. Específicamente, se requiere paciencia para marcar la posición de la punta de grieta durante la prueba DCB, que, a su vez, requiere varios minutos, particularmente para juntas adhesivas estructurales16,17,18. Por lo tanto, la visualización de ML en la prueba DCB es importante para identificar la posición de la punta de grieta automáticamente y con mayor precisión. Anteriormente, se mostraba que la posición y la forma de la línea ML en la vista superior se sincronizaban con la línea frontal de falla de grieta en la capa adhesiva9. Por lo tanto, la detección de ML en la vista superior del adherente se utilizó como un indicador de las grietas internas de la superficie exterior del adherente.

Sin embargo, las limitaciones de este método incluyen el entorno de prueba oscuro y la disminución de la intensidad de ML y AG durante la prueba DCB durante varios minutos, como se muestra en la Figura 7B. Esto conduce a un punto ML poco claro y un patrón AG, que reflejan la punta de grieta y la geometría de la muestra, respectivamente. Para superar esta limitación, se utilizó luz infrarroja, como la luz a una longitud de onda de 850 nm que no influye en el material SrAl2O4:Eu2+ ML, para irradiar la muestra DCB durante la prueba DCB para aclarar el estado de la muestra9. Alternativamente, la luz azul a 470 nm se utiliza para iluminar la muestra durante 1 s cada 5 min o 10 min para recuperar las intensidades de ML y AG incluso durante la prueba DCB2,9, como se explica en la Figura 7A.

Las imágenes y películas de contorno ML durante la prueba LS se grabaron utilizando un sistema de cámara de cuatro vías (Figura 6C). En este caso, los adherentes eran de aluminio arenado (A5052), y el adhesivo era un adhesivo epoxi de dos componentes. El valor de resistencia al cizallamiento (TSS) fue de 23 MPa, que se calculó utilizando el valor de carga (N) a la ruptura bajo carga de tracción y el área adhesiva unida (mm2). Además, el valor TSS puede considerarse como un indicador de la resistencia de una junta adhesiva estructural18. Aunque el valor TSS se utiliza generalmente como un índice de resistencia adhesiva, no se investigaron las propiedades físicas de fondo, como el comportamiento mecánico, que son cruciales para mejorar el diseño de la junta.

Las imágenes de ML proporcionaron claramente información sobre el comportamiento mecánico durante el proceso de destrucción de la junta adhesiva de una sola vuelta (Figura 6C). En resumen, se observó por primera vez una intensa mecanoluminiscencia en el borde del área adhesivamente unida y lapeada, lo que muestra la concentración de deformación en la etapa temprana de la prueba LS. En segundo lugar, los puntos ML se movieron desde ambos bordes adhesivos hacia el centro a lo largo de la capa adhesiva para aparecer juntos en las vistas izquierda y derecha de las imágenes ML. Esto indica la deformación por cizallamiento y la propagación de grietas a lo largo de la capa adhesiva, lo que denota una falla cohesiva (CF) en este caso.

Además, las líneas ML en las vistas frontal y trasera indicaron la ocurrencia de propagación de grietas, que es el mismo fenómeno que en la prueba DCB. Finalmente, después de que los dos puntos ML se combinaron en el centro, se observó una intensa mecanoluminiscencia en el punto central de la capa adhesiva. Esto indicó la concentración de tensión en la capa adhesiva y la posterior generación de una grieta transversal a través de la capa adhesiva, similar a un trabajo anterior11. Esta información es útil para determinar la ubicación de la concentración de estrés/deformación. Por lo tanto, implica que se requiere una mejora en la dispersión de la tensión para lograr un diseño articular fuerte y confiable.

A diferencia de la prueba DCB, la prueba LS causa la ruptura a alta velocidad de las juntas adhesivas. La prueba LS genera una alta tasa de deformación en la capa adhesiva, seguida de una mecanoluminiscencia muy intensa que se satura en la imagen ML grabada, acumula muchos eventos en una imagen y produce una imagen ML poco clara. En estos casos, se puede utilizar una opción inteligente de velocidad de grabación para la resolución de problemas (por ejemplo, seleccionar una velocidad de grabación alta, como 25 fps, que se ajuste a la velocidad del evento en la prueba LS)11.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación fue apoyada por un proyecto pionero encargado por la Organización de Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnología Industrial (NEDO) y el Programa de Investigación y Desarrollo para la Promoción de Tecnologías Innovadoras de Energía Limpia a través de la Colaboración Internacional (JPNP20005) encargado por NEDO. N. T. agradece a Shimadzu Co. por proporcionar el software de automonitoreo para distinguir los puntos de mayor intensidad de ML en la Figura Suplementaria 1. N. T. agradece a la Sra. Y. Nogami y a la Sra. H. Kawahara por rociar la pintura ML para las pruebas de ML. Además, N. T. agradece a la Sra. Y. Kato, la Sra. M. Iseki, la Sra. Y. Sugawa, la Sra. C. Hirakawa, la Sra. Y. Sakamoto y la Sra. S. Sano por ayudar con las mediciones y análisis de ML en el equipo de detección visual 4D (AIST).

Materials

Aluminum plate Engineering Test Service Co.,Ltd. A5052  A5052 is defined name as quality of aluminum in standards.
Blue LED MORITEX Co. MBRL-CB13015
Camera Baumer TXG04 or VLU-12 CCD or CMOS
Coating thickness gauge  KETT LZ-373
Epoxy adhesive Nagase ChemteX Co. Denatite2202 structual adehsive
ImageJ National Institutes of Health Image J 1.53K Image processing software
Mechanical testing machine  SHIMADZU Co. EZ Test EZ-LX
Mechanoluminescnet (ML) paint Sakai Chemical Industry Co. Ltd. ML-F2ET3 The ML paint in 1.1  is 2 components epoxy paint , and consisting of epoxy main reagent and curing reagent as described in 1.2.1.  SrAl2O4:Eu2+ ML ceramic perticle is including in main epoxy reagent.
Microscope keyence VHX-6000
Stainless steel  plate Engineering Test Service Co.,Ltd. SUS631 A631 is defined name as quality of stainless steel in standards.
Viscometer Sekonic. Co. Viscomate VM-10A
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Xu, C. -. N., Watanabe, T., Akiyama, M., Zheng, X. -. G. Direct view of stress distribution in solid by mechanoluminescence. Applied Physics Letters. 74 (17), 2414-2417 (1999).
  2. Xu, C. -. N., Ueno, N., Terasaki, N., Yamada, H. Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis. NTS Inc. , (2012).
  3. Terasaki, N. Innovative first step toward mechanoluminescent ubiquitous light source for trillion sensors. Sensors and Materials. 28 (8), 827-836 (2016).
  4. Feng, A., Smet, P. F. A review of mechanoluminescence in inorganic solids: Compounds, mechanisms, models and applications. Materials. 11 (4), 484 (2018).
  5. Terasaki, N., Xu, C. -. N. Mechanoluminescence recording device integrated with photosensitive material and europium-doped SrAl2O4. Japanese Journal of Applied Physics. 48, (2009).
  6. Terasaki, N., Xu, C. -. N. Historical-log recording system for crack opening and growth based on mechanoluminescent flexible sensor. IEEE Sensors Journal. 13 (10), 3999-4004 (2013).
  7. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y. Visualization of strain distribution and portent of destruction in structural material through mechanoluminescence. 35th International Committee on Aeronautical Fatigue and Structural Integrity (ICAF) Conference and 29th ICAF Symposium (ICAF. 75, 1961-1967 (2017).
  8. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H. Visualization of crack propagation for assisting double cantilever beam test through mechanoluminescence). The Journal of Adhesion. 94 (11), 867-879 (2018).
  9. Terasaki, N., Fujio, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H. Mechanoluminescent studies of failure line on double cantilever beam (DCB) and tapered-DCB (TDCB) test with similar and dissimilar material joints. International Journal of Adhesion and Adhesives. 93, 40-46 (2019).
  10. Terasaki, N., Fujio, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H., Itabashi, M. Mechanoluminescent study for optimization of joint design on cross tension test. The Journal of Adhesion. 98 (6), 637-646 (2022).
  11. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y., Uehara, M., Tabaru, T. Direct visualization of stress distribution related to adhesive through mechanoluminescence. ECS Transactions. 75 (45), 9-16 (2017).
  12. Terasaki, N., Ando, N., Hyodo, K. Mechanoluminescence visual inspection of micro-crack generation through fatigue process in flexible electronics film. Japanese Journal of Applied Physics. 61, (2022).
  13. Terasaki, N., Xu, C. -. N., Yasuda, K., Ichinose, L. Fatigue crack detection of steel truss bridge by using mechanoluminescent sensor. Proceedings of Sixth International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management (IABMAS). 6, 2542-2549 (2012).
  14. Fujio, Y., et al. Sheet sensor using SrAl2O4: Eu mechanoluminescent material for visualizing inner crack of high-pressure hydrogen vessel). International Journal of Hydrogen Energy. 41 (2), 1333-1340 (2015).
  15. Da Silva, L. F. M., Öchsner, A., Adams, R. . Handbook of Adhesion Technology., 2nd edition. , (2018).
  16. International Organization for Standardization. ISO 22838:2020. Composites and reinforcements fibres – Determination of the fracture energy of bonded plates of carbon fibre reinforced plastics (CFRPs) and metal using double cantilever beam specimens. International Organization for Standardization. , (2020).
  17. International Organization for Standardization. ISO 25217:2009. Adhesives – Determination of the mode 1 adhesive fracture energy of structural adhesive joints using double cantilever beam and tapered double cantilever beam specimens. International Organization for Standardization. , (2009).
  18. International Organization for Standardization. ISO 15024:2001. Fibre-reinforced plastic composites – Determination of mode I interlaminar fracture toughness, GIC, for unidirectionally reinforced materials. International Organization for Standardization. , (2001).
  19. International Organization for Standardization. ISO 4587:2003. Adhesives-Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies. International Organization for Standardization. , (2003).
  20. International Organization for Standardization. ISO 22841:2021. Composites and reinforcements fibres-Carbon fibre reinforced plastics(CFRPs) and metal assemblies-Determination of the tensile lap-shear strength. International Organization for Standardization. , (2021).
  21. International Organization for Standardization. ISO/CD 8065. Composites and reinforcements fibres – Mechanoluminescent visualization method of crack propagation for joint evaluation. International Organization for Standardization. , (2022).
  22. Azad, A. I., Rahimi, M. R., Yun, G. J. Quantitative full-field strain measurements by SAOED (SrAl2O4:Eu2+,Dy3+) mechanoluminescent materials. Smart Material Structure. 25 (9), 095032 (2016).

Tags

MechanoluminescentCrack PropagationJoint EvaluationVisualizationDCB TestLap-shear TestStructural Health MonitoringFracture Toughness

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Terasaki, N., Fujio, Y. Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation. J. Vis. Exp. (191), e64118, doi:10.3791/64118 (2023).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image